JP7424093B2 - Devices for printing 3D objects, methods for printing 3D objects - Google Patents
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Description
本発明は、立体造形物を造形する装置、立体造形物を造形する方法に関する。 The present invention relates to an apparatus for modeling a three-dimensional object and a method for modeling a three- dimensional object.
立体造形物(三次元造形物)を造形する装置としては、一般的に、溶融堆積(FDM)、光造形、粉体焼結、材料積層、粉末固着、シート積層、指向性エネルギー堆積等の技術を利用した積層造形法が知られている。 Generally speaking, equipment for printing three-dimensional objects (three-dimensional objects) uses techniques such as fused deposition (FDM), stereolithography, powder sintering, material lamination, powder fixation, sheet lamination, and directed energy deposition. Additive manufacturing methods using .
また、光を吸収する立体造形剤に対して光渦レーザービームを照射して、立体造形剤を飛翔させて被付着物に立体的に付着させるものも知られている(特許文献1)。 Also known is a method in which a light-absorbing three-dimensional shaping agent is irradiated with an optical vortex laser beam to cause the three-dimensional shaping agent to fly and three-dimensionally adhere to an object (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に開示の構成にあっては、飛翔させた立体造形剤が付着した後に紫外線などで硬化させるため、立体造形剤が造形物に衝突したとき、特に造形物の端部などに衝突した立体造形剤が飛散し、造形品質が得られにくいという課題がある。
However, in the configuration disclosed in
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、造形品質の向上を図ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to improve the quality of modeling.
上記の課題を解決するため、本発明の請求項1に係る立体造形物を造形する装置は、
造形材料を担持する担持体と、
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記造形物の表面の温度は、前記造形材料が到達するときにガラス転移温度以上である
構成とした。
In order to solve the above problems, an apparatus for modeling a three-dimensional object according to
a carrier that carries a modeling material;
a means for imparting energy to the surface of the object;
means for causing the modeling material carried by the carrier to fly toward the surface of the shaped object to which the energy has been applied ,
The temperature of the surface of the modeled object is equal to or higher than the glass transition temperature when the model material reaches it.
The structure is as follows.
本発明によれば、造形品質を向上することができる。 According to the present invention, modeling quality can be improved.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第1実施形態について図1を参照して説明する。図1は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram of an apparatus for modeling a three-dimensional object according to the same embodiment.
この立体造形物を造形する装置(立体造形装置という。)100は、造形する造形物(造形過程にある造形物)200を支持する支持部材であるステージ101を備えている。ステージ101は、矢印Y方向に往復移動可能であり、矢印Z方向に例えば造形厚み0.05mmピッチで上下動可能である。
An
ステージ101の下側にはステージ加熱ヒータ102が配置され、ステージ101は造形材料201に合わせた温度に制御される。また、ステージ101の上側には、断熱板301が配置され、その下面に造形物加熱ヒータ302が配置され、造形物加熱ヒータ302からエネルギーを付与され、造形物200は造形材料201に合わせた温度に制御される。なお、造形物加熱ヒータ302は断熱板301に一体化されても良い。
A
ステージ101の上方には、粒子状の造形材料201を担持する回転部材からなる担持体111が配置されている。担持体111は、造形材料201を担持して矢印方向(移送方向)に回転する回転ドラムで構成され、ステージ101上の造形物200の上方まで造形材料201を移送する。担持体111は、透明な部材であり、円筒形のガラス部材で構成しているが、これに限るものではない。
A
造形材料201は、目的とする造形物200に応じて適宜選択されるべきものであるが、樹脂の場合、例えば、PA12(ポリアミド12)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PSU(ポリスルホン)、PA66(ポリアミド66)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、LCP(液晶ポリマー)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、POM(ポリアセタール)、PSF(ポリサルホン)、PA6(ポリアミド6)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等である。また、造形材料201は、結晶性樹脂のみに限らず、非晶性樹脂であるPC(ポリカーボネート)やABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)、PEI(ポリエーテルイミド)、あるいは結晶性と非晶性の混合樹脂であってもよい。
The
また、造形材料201は、樹脂の他、金属、セラミック、液体などの種々の材料を用いることができる。また、造形材料201は、1pa・s以上の粘度を有する材料であってもよい。
Further, as the
担持体111の周面による造形材料201の担持は、本実施形態では、主にファンデルワールス力によって行っている。また、造形材料201の抵抗値が高い場合、静電的な付着力だけでも担持できる。
In this embodiment, the
担持体111の周囲には、担持体111の周面(表面)に造形材料201を供給する供給手段112が配置されている。
A supply means 112 that supplies the
供給手段112は、内部に造形材料201が供給されて矢印方向に回転するメッシュローラ121と、メッシュローラ121内で造形材料201を摺って擦るブレード122とを備えている。この供給手段112は、ブレード122で造形材料201を摺って擦りながら凝集を解くことで、メッシュローラ121を通過させ、担持体111の周面に造形材料201の薄層を形成する。
The supply means 112 includes a
メッシュローラ121のメッシュの開目は造形材料201の平均粒径より20~30%大きいものが好ましい。金属線を編んだものを使用できるが、電鋳などで作製されるフラットなメッシュがより好ましい。また、ブレード122の当接方法は、図1に示すようにトレーリングでも良いし、カウンタなど適宜選択される。メッシュの開目には、造形材料201が詰まることがあるが、開目より細い繊維からなるブラシをメッシュローラ外周から接触させることで、詰まりを解消できる。
The opening of the mesh of the
ここで、担持体111上での造形材料201の様子について図2及び図3を参照して説明する。図2及び図3は同説明に供する異なる造形材料の例の光学顕微鏡写真である。
Here, the state of the
図2は、造形材料201として体積平均粒径は48μmの柱状造形材料201を使用し、開目70μm、線径50μmのステンレス製メッシュを用いて、造形材料201を担持体111の周面に供給したときの光学顕微鏡写真である。この例では、造形材料201は重なりがほぼなく全体として均一に配置されていることが確認された。
In FIG. 2, a
図3(a)は、造形材料201としてSiterit社製PA12smooth(体積平均粒径は38μm)を使用し、開目60μm、線径50μmのステンレス製メッシュを用いて、造形材料201を担持体111の周面に供給したときの光学顕微鏡写真である。なお、図3(b)は図3(a)の拡大写真である。この例でも、造形材料201の重なりがほぼなく、全体として均一に配置されている。なお、この造形材料201は、3ないし4つの球形粒子が合体したような特異な形状をしているが、凝集したり、重なったりしているわけではない。
In FIG. 3(a), PA12smooth manufactured by Siterit (volume average particle diameter is 38 μm) is used as the
供給手段112による供給は、メッシュローラに限定されるものではない。例えば、回転体による接触供給、非接触供給、非接触のメッシュ上からの散布、粉体気流撹拌による流動浸漬なども可能である。 The supply by the supply means 112 is not limited to mesh rollers. For example, contact supply using a rotating body, non-contact supply, non-contact spraying from a mesh, fluidized immersion using powder airflow stirring, etc. are also possible.
図1に戻って、担持体111の内側には、担持体111の周面から造形材料201を飛翔させる手段としての飛翔用レーザ115が配置されている。
Returning to FIG. 1, a flying
ここで、「飛翔」とは、造形材料201が非接触で担持体111からステージ101側に移動することを意味し、転写と異なり、非接触で移動できるので、造形材料201のロスを少なくしたり、造形精度を向上することができる。
Here, "flying" means that the
飛翔用レーザ115はパルスレーザを備え、担持体111の内側から造形材料201に対してパルスレーザ光115aを照射する。
The flying
また、飛翔用レーザ115は、ガルバノミラー等の光走査部を備えている。光走査部は、パルスレーザ光115aを反射するミラーの角度を変化させることで、矢印Y方向及び矢印Z方向の両者に直交するX方向に、パルスレーザ光115aの照射位置を変化させる。飛翔用レーザ115は、光走査部を用いて、X方向における所定の位置に選択的にパルスレーザ光115aを照射できる。
Further, the flying
造形材料201は、パルスレーザ光115aを受けることで、放射圧と呼ばれる力などにより粉の付着力が開放され、重力等により下向きに落下する。従来知られているUS006025110Aなどに記載されているレーザ転写LIFT(Laser Induced Forward Transfer)は、担持体に密着した箔状、液状の材料をレーザ照射により非接触転写するものであり、局部的に加熱されて材料が気化することにより、担持体111の周面からパルスレーザ光115aの方向に飛翔する。
When the
なお、図1などでは、造形材料201が、ステージ101に対して重力方向に飛翔する例で示しているが、必ずしもステージ101に対して垂直(90°)を維持する必要はなく、必要に応じてステージ101に対して所要の角度で傾斜させてもよい。
In addition, although FIG. 1 and the like show an example in which the
本実施形態では、後者のメカニズムの寄与を皆無とまで言うことはできないが、前者が中心と考える理由に以下のものがある。
1.レーザ光の吸収率が高い黒色粉と透明粉で飛翔開始エネルギーが同等である。
2.担持体が透明樹脂フィルムであっても透明粉は飛翔する。
3.担持体の透明樹脂フィルムは1000回までの多数回パルスレーザ照射でも劣化しない。
In this embodiment, although it cannot be said that the latter mechanism makes no contribution, there are the following reasons why the former mechanism is considered to be the main one.
1. The flying start energy is the same for black powder and transparent powder, which have a high absorption rate of laser light.
2. Even if the carrier is a transparent resin film, the transparent powder will fly.
3. The transparent resin film of the carrier does not deteriorate even after being irradiated with the pulsed laser many times up to 1000 times.
担持体111と造形物200との空隙距離は、造形材料201の平均粒径の3~10倍を目安に維持することが好ましい。これにより、飛翔前後の上下の造形材料同士の接触を避け、飛翔による散逸を避けることができる。
It is preferable that the gap distance between the
ここで、造形材料201の飛翔状態について図4を参照して説明する。図4は同説明に供する説明図である。図4(b)、(c)は高速カメラによる断面観察の状態を示している。
Here, the flying state of the
図4(a1)に示すように、担持体111の周面に造形材料201が多層に重なっているときには、パルスレーザ光115aを照射することによって、図4(b)に示すように、造形材料201が飛翔によって散逸する。
As shown in FIG. 4(a1), when the
これに対し、図4(a2)に示すように、担持体111の周面に造形材料201が重ならないで担持されているときには、パルスレーザ光115aを照射することによって、図4(c)に示すように、造形材料201が鉛直方向に飛翔する。
On the other hand, as shown in FIG. 4(a2), when the
次に、造形材料の落下軌跡及び着弾ばらつきについて図5及び図6を参照して説明する。 Next, the falling trajectory and landing variation of the modeling material will be explained with reference to FIGS. 5 and 6.
図5は、以下の条件で複数の粉末(造形材料)の落下軌跡をインターバル連続撮影でとらえた結果を示している。 FIG. 5 shows the results of continuous interval photography of the falling trajectories of multiple powders (modeling materials) under the following conditions.
PA12粉体:平均粒径38μm
レーザ波長:532nm
パルス幅:15ps
ピークパワー:0.74MW
ビーム重ね回数:1.3
ビーム径:40μm
周波数:6.6kHz
走査速度:200mm/s
撮影:20kfps
PA12 powder: average particle size 38μm
Laser wavelength: 532nm
Pulse width: 15ps
Peak power: 0.74MW
Number of beam overlaps: 1.3
Beam diameter: 40μm
Frequency: 6.6kHz
Scanning speed: 200mm/s
Shooting: 20kfps
粉体は透明PC、黒色PC、PE、PBTで、レーザ波長:1064nm、パルス幅:2ns、20nsなどの組み合わせで同様な飛翔を確認した。特に、透明PCは532nmでも1064nmでも透過率が高く、熱として吸収されることが少ないため、従来のLIFTとは異なる機構であることが推察される。 Similar flight was confirmed using combinations of transparent PC, black PC, PE, and PBT powders, laser wavelength: 1064 nm, pulse width: 2 ns, 20 ns, etc. In particular, transparent PC has a high transmittance at both 532 nm and 1064 nm, and is hardly absorbed as heat, so it is presumed that the mechanism is different from that of conventional LIFT.
その際の造形予定位置の0.5mmギャップ位置の着弾ばらつきを図6にヒストグラムで示している。 At that time, the landing variation at the 0.5 mm gap position of the planned modeling position is shown in a histogram in FIG.
この結果から分かるように、76%の粒子が±50μmの範囲に着弾しており、±100μmなどの精度の造形を行うには十分である。最終形状は、溶融用レーザの位置精度で決まるため、溶融部から外れた僅かな粉は造形後に除去される。 As can be seen from this result, 76% of the particles landed within a range of ±50 μm, which is sufficient for modeling with an accuracy of ±100 μm. Since the final shape is determined by the positional accuracy of the melting laser, any small amount of powder that strays from the melted area is removed after modeling.
飛翔用レーザ115のレーザ光源としては、特に制限はなく、ピコ秒からナノ秒などのパルス発振可能なものが好ましい。固体レーザとしては、YAGレーザ、チタンサファイアレーザなどがある。気体レーザとしては、アルゴンレーザ、ヘリウムネオンレーザ、炭酸ガスレーザなどがある。半導体レーザも小型で好ましい。ファイバーレーザはそのピークエネルギーの高さと小型化可能な面で本発明を製品化するに当たり最も適した光源である。
There are no particular limitations on the laser light source for the
溶融用レーザの波長としては、適宜選択することができるが、300nm以上11μm以下が光源の選択肢が多く好ましい。特に、造形材料201が樹脂であるとき、2460nm付近は、ほぼ全ての樹脂が持つCHとCC結合の複合吸収帯で、カーボン入りのものも含む多様な樹脂で吸収率が80%以上であった。また、波長が2300nm~2500nmは吸収率が65%以上であり、この範囲でも安定的な飛翔及び溶融のエネルギーを付与できる。同様にCC結合の吸収帯である3400nm付近とその倍音である1700nm付近も好適である。
The wavelength of the melting laser can be selected as appropriate, but it is preferably 300 nm or more and 11 μm or less because there are many options for the light source. In particular, when the
この波長域は通常のガラスの透過率も高いため、基材との組み合わせも容易である。
レーザのパルス周波数としては、レーザの走査速度との組み合わせで適宜選択することができる。両者の組み合わせで決まるビーム径の重なりが多いと飛翔後の粉体(造形材料)にもレーザが当たり、粉が散逸しやすい。ビーム径の重なりが2回以上となるとその傾向が顕著であり、1.2~1.7回は粉の散逸が小さい。
Since normal glass has a high transmittance in this wavelength range, it is easy to combine it with a base material.
The pulse frequency of the laser can be appropriately selected in combination with the scanning speed of the laser. If the beam diameters determined by the combination of the two overlap a lot, the laser will also hit the powder (modeling material) after it flies, and the powder will easily scatter. This tendency is remarkable when the beam diameters overlap two or more times, and powder dissipation is small when the beam diameters overlap 1.2 to 1.7 times.
また、担持体111の内側には、造形物200の表面にエネルギーを付与する手段としての溶融用レーザ116が配置されている。溶融用レーザ116は、パルスを積極的に用いる必要はなく、連続波のレーザが適している。
Further, inside the
溶融用レーザ116は、ステージ101上で造形される造形物200の表面を加熱して溶融状態にする。1つ又は複数のエネルギーを付与する手段のエネルギーによって溶融状態になればよく、レーザによる加熱以外にも対流、ランプ、誘導加熱、誘電加熱など適用可能である。また、このときの「表面」とは、造形1回の1層でも良いし、2、3層などの複数層にわたっても良い。また、各層の一部でも良いし、全体でもよい。つまり、最表層の一部が含まれていることが重要である
The
溶融用のレーザ116のレーザ光116aは、図1において、飛翔用レーザ115のパルスレーザ光115aの照射位置(造形材料201の着弾位置)を狙って照射されている。両者の位置は調整可能で、材料種や造形速度などで調整位置を切り替えることも考慮される。
In FIG. 1, the
これにより、溶融用レーザ116のレーザ光116aで溶融状態になった造形物200の表面に、飛翔用レーザ115で飛翔される造形材料201が着弾することで造形物200に付着される。
As a result, the
なお、造形材料201の飛翔と造形物200の溶融の開始タイミングの前後関係は特に限定されるものではない。つまり、造形材料201が飛翔する前に、造形物200の表面を溶融させても良い。または、造形材料201が飛翔した後、造形物200の表面を溶融させ、この溶融させた表面に飛翔した造形材料201が着弾しても良い。
Note that the timing of the flying of the
着弾位置のばらつきや過不足は積層間で調整可能で、飛翔用レーザ115は造形の形状と異なることがあり得る、造形の形状決定するのは溶融用レーザ116である。
The dispersion and excess/deficiency of the landing positions can be adjusted between laminated layers, and the flying
また、担持体111の周囲には、造形物200を造形する領域よりも担持体111の回転方向下流側に、担持体111上に残存する造形材料201を除去するクリーニングブレード117を備えている。クリーニングブレード117で掻き落とされた造形材料201は回収ケース118に回収する。
Further, a
次に、この立体造形装置100の作用について図7のフロー図を参照して説明する。
Next, the operation of this three-
造形動作を開始すると、供給手段112は、メッシュローラ121内の造形材料201をブレード122で摺って擦り(ステップS1、以下、単に「S1」というように表記する。)、造形材料201をメッシュに通し(S2)、担持体111の周面に造形材料201を重ならない状態で配置する(S3)。供給手段112は、造形が完了するまで(S4)、担持体111に対する供給を継続する。
When the modeling operation is started, the supply means 112 rubs the
このようにして、供給手段112によって担持体111の周面に造形材料201が供給され、造形物200を支持するステージ101の上方に配置された担持体111の表面に造形材料201が担持される。
In this way, the
そして、担持体111の回転によってステージ101の上方に移送され、ステージ101の上方に造形材料201の天井が形成される。
Then, as the
一方、造形開始タイミングになると(S5)、溶融用レーザ116からレーザ光116aを照射して造形物200の表面のうち造形材料201を付着する部分を加熱して溶融する(S6)。ただし、造形開始第一層だけはステージ加熱ヒータ102の温度により造形材料201が融着する。
On the other hand, when the modeling start timing comes (S5), the
そして、飛翔用レーザ115から造形データに応じて所要の造形材料201にパルスレーザ光115aを照射して、担持体111に担持されている造形材料201を造形物200の溶融の部分に向けて飛翔させる(S7)。
Then, a
担持体111から飛翔する造形材料201は溶融状態にある造形物200の表面に着弾して造形物200と一体になり、造形物200が少なくとも1造形材料分成長する。
The
このように、担持体111の連続回転によって造形材料201を順次ステージ101上の移送しながら、溶融用レーザ116による造形物200の表面に溶融化、飛翔用レーザ115による造形材料201の飛翔、着弾を、造形が完了するまで繰り返す(S8)。
In this way, while the
これによって、造形物200を所要の形状まで成長させて立体造形物を造形することができる。
Thereby, it is possible to grow the
このとき、飛翔された造形材料201は溶融にある造形物200の表面に着弾しえ付着し、衝突によって拡散しないので、造形物200のエッジなどでも高い精度を得ることができ、造形品質が向上する。
At this time, the flying
また、粉体としては、前述したように、結晶性樹脂のみならず、結晶性及び非結晶性樹脂の混合樹脂なども使用することができ、材料の多様性を確保でき、また、連続造形によって造形速度の高速化を図れ、更に、廃棄材料を減少することができる。 In addition, as described above, not only crystalline resins but also mixed resins of crystalline and non-crystalline resins can be used as the powder, ensuring a diversity of materials, and making continuous molding possible. The molding speed can be increased, and the amount of waste material can be reduced.
次に、本発明の第2実施形態について図8を参照して説明する。図8は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8. FIG. 8 is an explanatory diagram of an apparatus for modeling a three-dimensional object according to the same embodiment.
本実施形態においては、前記第1実施形態の担持体111の周囲であって、供給手段112と造形材料201を飛翔させる位置(造形位置)との間に、造形材料201に液体130を吐出して付与するヘッド131を配置している。
In this embodiment, the liquid 130 is discharged onto the
このヘッド131の粉体移送方向(担持体111の回転方向)下流側には、液体130が付与されていない造形材料201を吸引回収する吸引手段132を配置している。また、吸引手段132で回収した造形材料201を貯留するタンク133を備えている。
On the downstream side of the
このように、ヘッド131によって造形材料201に液体130を付与することで、造形材料201間及び担持体111と造形材料201との間に液架橋力が生じて、より安定して造形材料201を担持体111の周面に担持して造形位置まで移送できる。
In this way, by applying the liquid 130 to the
このとき、ヘッド131を造形データに応じて駆動して液体130を付与する領域を選択することにより、担持体111上で造形データに応じた造形材料201の画像を形成することができる。また、ヘッド131から吐出する液体に色材や添加剤を加えることで、色を加えたり、機能を付与したりすることができる。また、ヘッド131として多色ヘッドを使用することで所要の色を着色することもできる。
At this time, by driving the
なお、造形材料201による作像を行わず、全体に液架橋力を付与するのであれば、超音波加湿器のミストを吹き付けることなどでも、より安定的に造形位置までの移送を行うことができる。
Note that if image formation with the
また、ファンデルワールス力や粉の抵抗値が高い場合静電的な付着力だけでも飛翔部まで搬送することが可能である。 Further, when the Van der Waals force or the resistance value of the powder is high, it is possible to transport the powder to the flying part using only electrostatic adhesion force.
吸引手段132は、担持体111の表面に液架橋力で担持されていない造形材料201を吸引除去する。吸引手段132は、減圧吸引の他、高導電性の粉体以外では静電的な吸引も可能であり、これらを併用することもできる。吸引された造形材料201は、液体などもついていないので、供給手段112内に再供給することもできる。
The suction means 132 suctions and removes the
ここで、液体130について説明する。液体130としては水を用いる。粘度調整のために、グリセリンやポリエチレングリコールなどの微量の増粘剤などを含んでもよい。 Here, the liquid 130 will be explained. Water is used as the liquid 130. In order to adjust the viscosity, a trace amount of thickener such as glycerin or polyethylene glycol may be included.
ただし、造形材料201を構成する樹脂によっては、微量の水分をも加水分解などから避ける必要があり、その場合は、難燃性と材料への影響のないことを考慮した液体、例えばフッ化水素系の溶剤を選ぶことができる。例えば、スリーエム社製:商品名フロリナート(登録商標)、ソルベイ社製:商品名ガルデン(登録商標)が沸点に応じて選択できる。フッ化水素系の溶剤がレーザ加熱などで分解する場合には、排気経路にフッ酸を吸収する炭酸カルシウムなどの吸収剤を配置しておけばよい。
However, depending on the resin that constitutes the
次に、本発明の第3実施形態について図9を参照して説明する。図9は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9. FIG. 9 is an explanatory diagram of an apparatus for modeling a three-dimensional object according to the same embodiment.
本実施形態では、担持体111は周回移動する回転部材である無端ベルトで構成している。担持体111は例えばニッケルベルトを使用している。
In this embodiment, the
担持体111は、ローラ151、152及び加熱手段である加熱ローラ153に掛け回されている。ここで、加熱ローラ153は造形物200を造形する位置(造形位置)でステージ101の上方に配置されている。
The
加熱ローラ153の背後には、バックアップローラ154が配置されている。バックアップローラ154は加熱ローラ153が小径であるために生じる無端ベルトの撓みを低減する。
A
回収ローラ134はバイアスローラであり、バイアス電界によって造形材料201を回収し、タンク133に落下させる。
The
本実施形態では、加熱ローラ153は例えば150℃まで加熱され、担持体111と加熱ローラ153との接触部では100℃を超える温度になり、担持体111に担持された造形材料201の水による架橋力が開放される(突沸)。また、加熱ローラ153が相対的に小径であり、造形材料201は遠心力でも架橋力が開放される。これにより、造形材料201は、例えば担持体111の移動速度300mm/sで、担持体111から造形物200に向けて飛翔する。
In this embodiment, the
つまり、本実施形態では、担持体111から造形材料201を飛翔させる手段は、加熱ローラ153と担持体111を回転させる手段とで構成され、突沸と遠心力によって担持体111の周面から造形材料201を飛翔させる。さらに詳細には、担持体111の移動に伴う慣性力も働き、着弾位置は飛翔位置の真下より、担持体移動方向の先になる。
That is, in this embodiment, the means for making the
一方、前記第1実施形態と同様に、造形物200の造形材料201を付着させる部位は溶融用レーザ116によって溶融されて溶融になっている。
On the other hand, similarly to the first embodiment, the portion of the
これにより、担持体111から飛翔した造形材料201は造形物200の溶融の部分に付着し、造形物200が成長する。
As a result, the
次に、本発明の第4実施形態について図10及び図11を参照して説明する。図10は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図、図11は同装置のマルチエアーノズルの説明図である。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is an explanatory diagram of an apparatus for modeling a three-dimensional object according to the same embodiment, and FIG. 11 is an explanatory diagram of a multi-air nozzle of the same apparatus.
本実施形態では、担持体111は無端のメッシュベルトで構成している。
In this embodiment, the
担持体111は、ローラ151、152及びローラ156、157に掛け回されている。そして、ローラ156、157の間であって、造形物200を造形する位置(造形位置)でステージ101の上方には、マルチエアーノズル160が配置されている。
The
マルチエアーノズル160には供給源から空気が送られており、ノズル160aからメッシュベルトからなる担持体111に向けて空気を吹き出し、この空気圧によって担持体111から造形材料201が飛翔する。
Air is sent to the
飛翔前の粉体作像はインクジェットを用いたが、他の実施形態のようにレーザによりネガ部を除去しておくことも可能である。また、マルチエアーノズル自体がマイクロキャビティ構造で個別に制御できるインクジェットのような構成の場合、事前の作像は不要であってパウダージェットの構成も実施可能である。 Although an inkjet was used to form a powder image before flying, it is also possible to remove the negative portion using a laser as in other embodiments. Further, in the case of an inkjet-like configuration in which the multi-air nozzle itself has a microcavity structure and can be individually controlled, there is no need for prior image formation, and a powderjet configuration can also be implemented.
一方、前記第1実施形態と同様に、造形物200の造形材料201を付着させる部位は溶融用レーザ116によって加熱されて溶融されている。
On the other hand, similarly to the first embodiment, the portion of the
これにより、担持体111から飛翔した造形材料201は造形物200の溶融部分に付着し、造形物200が成長する。
As a result, the
次に、本発明の第5実施形態について図12を参照して説明する。図12は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 12. FIG. 12 is an explanatory diagram of an apparatus for modeling a three-dimensional object according to the same embodiment.
本実施形態では、担持体111は周回移動する回転部材である無端ベルトで構成している。担持体111は、例えばPETフィルム(東レ製ルミラー)で構成している。また、ポリイミドフィルム(東レ製カプトンH)で構成することもできる。これらのフィルムは、工業的に量産されており、無端ベルトとして使用することも可能であるが、長尺のフィルムロールをそのまま利用し、ロールtoロールで繰り返し使用することも可能である。
In this embodiment, the
担持体111は、ローラ151、152及び固定部材155に掛け回されている。ここで、固定部材155は、造形物200を造形する位置(造形位置)でステージ101の上方に配置されている。
The
供給手段112の供給ローラ123としてローレットローラを使用し、供給ローラ123に対向して表面にゴム層を有する当接ローラ124を配置している。
A knurled roller is used as the
飛翔用レーザ115のパルスレーザ光115aは、入射角20度で、固定部材155でスリット部155aから担持体11へ照射できるようにしている。
The
また、塗布液を吐出して塗布する塗布装置163を配置している。塗布装置163は、例えば加熱により析出する硫酸マグネシウムなどの耐熱性で水溶性の液体162を吐出する。これにより、造形物200の界面のサポート除去性の向上などを図っている。なお、塗布液は低粘度な液体の他、スラリー状、または加熱溶融された樹脂でも同様に適用可能である。
Further, a
次に、複雑形状を造形する場合のサポート方法について図13を参照して説明する。 Next, a support method when modeling a complex shape will be described with reference to FIG. 13.
ここでは、図13(a)に示すように、コの字型の造形物200を造形する。このとき、図13(b)に示すように、造形物200の上部を支えるとともに、造形後に容易に外せるサポート材211を使用する。
Here, as shown in FIG. 13(a), a
サポート材211によるサポート部を形成するとき、飛翔用レーザ115のみ作動し、溶融用レーザ116は作動しないことで形成できる。粉の高さは飛翔頻度で調整可能であり、予め造形データ内で予測設定してもよいし、造形中に形状を測定しながら補正することもできる。
When forming the support portion using the
また、図13(c)、(d)に示すように、サポート材201bが崩れる可能性や精度を考慮し、サポート材211の一部に造形物212~214を造形して、造形後に除去する。
Furthermore, as shown in FIGS. 13(c) and 13(d), in consideration of the possibility that the support material 201b will collapse and the accuracy, the
次に、本発明の第6実施形態について図14を参照して説明する。図14は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置における造形中の造形物の表面温度の説明に供する説明図である。 Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 14. FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating the surface temperature of a three-dimensional object being formed in the apparatus for forming a three-dimensional object according to the same embodiment.
本実施形態における装置構成及び造形動作は、前記第1実施形態と同様である。なお、第2ないし第5実施形態における装置構成とすることもできる。 The device configuration and modeling operation in this embodiment are the same as those in the first embodiment. Note that the device configurations in the second to fifth embodiments may also be used.
本実施形態では、造形材料(造形物200の材料)201として、結晶性樹脂であるPEEKを使用している。これ以外の結晶性樹脂を使用することもできる。 In this embodiment, PEEK, which is a crystalline resin, is used as the modeling material 201 (material of the modeled object 200). Other crystalline resins can also be used.
図14は造形物200の造形開始以降の表面の温度の時間による変化を示している。図14のS6は前記図7のステップS6(溶融用レーザ照射)及びステップS7(飛翔用レーザ照射)のタイミングを示している。
FIG. 14 shows the change in surface temperature of the
本実施形態では、図14に示すように、ステップS7で溶融用レーザ116によってレーザ光116aが照射されて温度が上昇した造形物200の表面は、飛翔用レーザ115によって飛翔される造形材料201が到達(衝突)して積層されるとき、ガラス転移温度Tgである143℃以上に保たれている。
In this embodiment, as shown in FIG. 14, the surface of the
造形物200の表面の温度をガラス転移温度Tg以上にすることで、造形物200の表面がゴム状態になり、飛翔した造形材料201が造形物200に衝突したときに造形物200の表面が変形し、造形材料201の運動エネルギーを吸収することができる。
By making the temperature of the surface of the modeled
これに対し、造形物200の表面の温度が、ガラス転移温度Tg未満の温度であると、飛翔した造形材料201が造形物200に衝突したときに造形物200の表面が十分に変形せず、造形材料201の運動エネルギーを十分に吸収することができないため好ましくない。
On the other hand, if the temperature of the surface of the
これにより、造形材料201が造形物200の表面に衝突(到達)したときに、造形材料201が跳ね返りにくくなり、造形材料201の飛散を抑制することができ、造形物200の寸法精度や表面性が向上し、造形品質が向上する。
As a result, when the
この場合、造形物200の表面の温度は、結晶化温度(Tc)、造形材料201としてPEEKを使用するときには300℃以上とすることが好ましい。これにより、温度下降時に結晶化に伴う急激な収縮による反りが局所的に発生することを抑制し、安定した形状の立体造形物を得ることができる。
In this case, the temperature of the surface of the modeled
造形物200の表面温度を保つために、図1に示すように、造形物200にエネルギーを付与する手段としての造形物加熱ヒータ302がステージ101の上側に配置されている。造形物加熱ヒータ302は、面状の抵抗発熱体により形成されており、造形物200の周囲の雰囲気温度を、造形材料201のガラス転移温度Tgである143℃以上に保っている。
In order to maintain the surface temperature of the
また、断熱板301とステージ101との間には、ファン等により送風がなされており、雰囲気の温度が一様になるようにされている。
Further, air is blown between the
なお、造形物加熱ヒータ302或いは造形物200の周囲に温度センサを配置し、造形物200の周囲の雰囲気の温度を一定に保つように温度制御を行うこともできる。雰囲気温度を高く保つことにより、造形材料201が造形物200に衝突するときの造形材料201の飛散を抑制できるだけでなく、造形後の造形物200の内部の温度勾配を低減させることで反りを抑制させることもできる。
It is also possible to arrange a temperature sensor around the shaped
造形物加熱ヒータ302は、飛翔用レーザ115によって飛翔する前(担持された状態)の造形材料201の温度もガラス転移温度Tgである143℃以上に保持されるように造形物200の周囲の雰囲気温度を加熱する。
The
これにより、溶融用レーザ116によって投入するエネルギーを軽減させることができ、高速化、省電力化を図ることができる。
Thereby, the energy input by the
一方で、飛翔用レーザ115によって飛翔される前の造形材料201はガラス転移温度Tgである143℃未満でも良く、造形材料201がゴム状態にならないようにすることで担持体111との接着力を一定以下に抑え、造形材料201が飛翔しやすいように調整することが好ましい。
On the other hand, the temperature of the
また、図14に示すように、ステップ6において、造形物200の表面の温度は、溶融用レーザ116によるレーザ光116aの照射前は融点Tmである343℃未満であり、かつ、レーザ光116aの照射後は343℃以上となっている。
Further, as shown in FIG. 14, in
溶融用レーザ116によってレーザ光116aを照射した後に融点Tm以上となるようにすることで、造形物200が液体状態となり、溶融した造形材料201同士が結合することで、高い強度の造形物を形成することができる。照射した後も融点Tm未満であると、造形物200に対して造形材料201が十分に結合することができない。
By irradiating the
一方で、溶融用レーザ116によってレーザ光116aを照射する前には融点Tm未満となるようにすることで、造形物200全体が溶融して崩れてしまうことを抑制し、一定の寸法精度を保つことができる。
On the other hand, by setting the temperature to be less than the melting point Tm before irradiating the
なお、溶融用レーザ116による造形物200の表面の温度上昇は50℃になるようにしており、造形物の局所的な変形による反りが発生しない程度の温度上昇としている。
Note that the temperature increase on the surface of the
また、造形物200の表面の温度をガラス転移温度Tg以上にエネルギーを付与する(保つ)手段として造形物加熱ヒータ302を用いたが、これに限るものではない。
Further, although the shaped
例えば、溶融用レーザ116の出力や照射時間、あるいは、溶融用レーザ116からのレーザ光116aと飛翔用レーザ115からのレーザ光115aを照射する時間の間隔などをレーザの制御により調整することもできる。
For example, the output and irradiation time of the
例えば、時間の間隔を調整する場合には、溶融用レーザ116からのレーザ光116aを造形物200の表面に照射して造形物200の表面温度が融点を超えてから、熱が造形物200の内部或いは雰囲気に伝わって温度が低下していく過程で、ガラス転移温度Tgを下回らない範囲で時間の間隔を決めておけば良い。
For example, when adjusting the time interval, the
次に、造形材料を飛翔させる時間間隔について説明する。 Next, the time interval for flying the modeling material will be explained.
造形材料201が飛翔して造形物200の表面に衝突したときに、造形物200から熱が伝わり造形材料201の温度が上昇する。このときの伝熱が不十分であると、同じ位置へ、次の造形材料201が衝突するときに造形材料201の表面温度が十分上がらず、ガラス転移温度Tgに届かない可能性が生じる。
When the
そこで、十分な伝熱時間が得られるように、造形材料201の平均粒径をL[μm]とするとき、造形材料201が飛翔して造形物200の表面に到達してから、次に同位置に造形材料201が飛翔して造形物200の表面に到達するまでの時間の間隔が、L×L/200[ms]以上となるようにする。時間の間隔がL×L/200[ms]未満の場合、表面に到達した粒子の熱が十分に拡散されておらず粒子全体が溶融しないので好ましくない。
Therefore, in order to obtain sufficient heat transfer time, when the average particle size of the
時間間隔の閾値は厚さL、熱拡散率αの材料の温度が均一になるための閾値(RC回路での時定数RCに相当)としてL2/αとし、樹脂材料では一般にα=2.0×10―7[m2/s]であることを利用して導いた。L=50[μm]とするとき、時間間隔は12.5[ms]以上必要であることから、例えば、造形材料201を飛翔させる時間間隔を20[ms]とする。
The threshold value of the time interval is L 2 /α, which is the threshold value for making the temperature of a material with thickness L and thermal diffusivity α uniform (corresponding to the time constant RC in an RC circuit), and for resin materials, generally α=2. This was derived using the fact that the velocity is 0×10 −7 [m 2 /s]. When L=50 [μm], the time interval is required to be 12.5 [ms] or more, so for example, the time interval at which the
これにより、造形材料201が飛翔して造形物200の表面に衝突したときに、造形物200から熱が伝わり造形材料201の温度が上昇するに十分な時間を確保でき、造形品質が向上する。
Thereby, when the
ここで、具体的な実施例について表1を参照して説明する。 Here, specific examples will be described with reference to Table 1.
<実施例1-1ないし実施例1-6>
表1に示すように、樹脂(造形材料201)としてPEEK(実施例1-1、1-2)、PA12(実施例1-3、1-4)、PBT(実施例1-5、1-6)を使用した。そして、造形物200の加熱前の表面温度を融点未満の温度とし、加熱後の樹脂が到達するときの表面温度(到達表面温度)をガラス転移温度Tg以上(実施例1-1、1-3、1-5)、又は結晶化温度Tc以上(実施例1-2、1-4、1-6)とした。また、樹脂を飛翔させる時間間隔は、いずれも、「L×L/200[ms]」以上の0.1sとした。
<Example 1-1 to Example 1-6>
As shown in Table 1, the resins (modeling material 201) include PEEK (Examples 1-1 and 1-2), PA12 (Examples 1-3 and 1-4), and PBT (Examples 1-5 and 1-4). 6) was used. Then, the surface temperature of the shaped
なお、雰囲気温度はいずれも25℃とした。また、温度の測定は、キーエンス社の製品名FT-H20を使用して行った。また、時間間隔の測定は、キーエンス社の製品名NR-500を使用して行った。 Note that the ambient temperature was 25° C. in all cases. Further, the temperature was measured using Keyence Corporation's product name FT-H20. Further, the time interval was measured using Keyence Corporation's product name NR-500.
これらの実施例1-1ないし実施例1-6について、溶融状態を評価し、評価結果を表1に示している。評価結果の「〇」は、造形材料が溶融して、造形物と造形材料が結合したことを示している。 The melting state of Examples 1-1 to 1-6 was evaluated, and the evaluation results are shown in Table 1. An evaluation result of “〇” indicates that the modeling material has melted and the modeling material has bonded to the object.
次に、飛翔中の造形材料に対する加熱について図15も参照して説明する。図15は飛翔する造形材料と溶融用レーザの照射領域(レーザ光の領域)との関係を示す説明図である。 Next, heating of the modeling material during flight will be explained with reference to FIG. 15 as well. FIG. 15 is an explanatory diagram showing the relationship between the flying modeling material and the irradiation area of the melting laser (laser beam area).
レーザ光116aは、造形物200の表面に照射されるとともに、斜めに入射することで、造形物200の上方を通過する。
The
ここで、溶融用レーザ116からレーザ光116aを照射しているときに、造形材料201が飛翔して造形物200の表面に着弾する。
Here, while the
このようにして、飛翔中の造形材料201に直接溶融用レーザ116のレーザ光116aが照射されることにより、造形物200の表面だけでなく、造形材料201も同時に加熱することができる。
In this way, by directly irradiating the flying
したがって、着弾する造形材料201自体がガラス転移温度Tg以上になったり、あるいは、造形物200と衝突するときの温度が高まることにより、造形物200と衝突するときに、より造形物200の表面が変形し、運動エネルギーを吸収する。
Therefore, if the
これにより、造形材料201が造形物200の表面に衝突するときに跳ね返りにくくなり、造形材料201の飛散が抑制され、造形物200の寸法精度や表面性をさらに向上して、造形品質を向上させることができる。
This makes it difficult for the
次に、本発明の第7実施形態について図16を参照して説明する。図16は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置における造形中の造形物の表面温度の説明に供する説明図である。 Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 16. FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining the surface temperature of a three-dimensional object being formed in the apparatus for forming a three-dimensional object according to the same embodiment.
本実施形態における装置構成及び造形動作は、前記第1実施形態と同様である。なお、第2ないし第5実施形態における装置構成とすることもできる。 The device configuration and modeling operation in this embodiment are the same as those in the first embodiment. Note that the device configurations in the second to fifth embodiments may also be used.
本実施形態では、造形材料201として、非晶性樹脂であるPESを使用している。これ以外の非晶性樹脂を使用することもできる。
In this embodiment, PES, which is an amorphous resin, is used as the
造形材料201が非晶性樹脂である場合、融点を持たないため、前記第6実施形態と同様の作用効果を得ようとする場合、溶融用レーザ116の照射前後における造形物200の表面の温度で規定することができない。
When the
そこで、本実施形態では、樹脂の粘度を元に規定する。 Therefore, in this embodiment, the conditions are defined based on the viscosity of the resin.
樹脂の粘度が溶融用レーザ116からのレーザ光116aの照射前は粘度が1.0×103Pa・s以上であるのに対し、レーザ光116aの照射後は1.0×103Pa・s未満となるようにする。つまり、造形物200の表面がエネルギーを付与する手段によって加熱された後に粘度が1.0×103Pa・s未満になり、加熱される前の粘度が1.0×103Pa・s以上である構成とする。
The viscosity of the resin is 1.0×10 3 Pa·s or more before being irradiated with the
ここで、具体的な実施例について表2を参照して説明する。 Here, specific examples will be described with reference to Table 2.
<実施例2-1>
樹脂(造形材料201)としてPESを使用し、レーザ光の照射前は250℃、照射後は360℃とした。このとき、照射前の粘度は3.0×103Pa・s、照射後は6.0×102Pa・sであった。
<Example 2-1>
PES was used as the resin (modeling material 201), and the temperature was 250° C. before irradiation with laser light and 360° C. after irradiation. At this time, the viscosity before irradiation was 3.0×10 3 Pa·s, and after irradiation was 6.0×10 2 Pa·s.
<実施例2-2>
樹脂(造形材料201)としてPVCを使用し、レーザ光のエネルギーを付与する前は50℃、付与後は150℃とした。このとき、照射前の粘度は4.0×103Pa・s、照射後は5.0×102Pa・
<Example 2-2>
PVC was used as the resin (modeling material 201), and the temperature was 50° C. before applying laser light energy and 150° C. after applying it. At this time, the viscosity before irradiation was 4.0×10 3 Pa・s, and after irradiation was 5.0×10 2 Pa・
なお、温度の測定は、キーエンス社の製品名FT-H20を使用して行った。また、粘度の測定は、JIS8803:2011に従って行った。 The temperature was measured using Keyence Corporation's product name FT-H20. Further, the viscosity was measured according to JIS8803:2011.
これらの実施例2-1、2-2について、溶融状態を評価し、評価結果を表2に示している。評価結果における符号「〇」は、造形材料が溶融して、造形物と造形材料が結合したことを示している。 The melting state of Examples 2-1 and 2-2 was evaluated, and the evaluation results are shown in Table 2. The symbol “〇” in the evaluation results indicates that the modeling material has melted and the modeling material has bonded to the modeling object.
これにより、融点を持たない非晶性樹脂に対しても前記第6実施形態と同様に、溶融用レーザ116からのレーザ光116aの照射後に造形物200が柔らかくなり、粉体同士が結合することで、高い強度の造形物を形成することができる。そして、溶融用レーザ116によるレーザ光の照射前に融点未満となるようにすることで、造形物200全体が柔らかくなり崩れてしまうことを抑制し一定の寸法精度を保つことができる。
As a result, even for an amorphous resin that does not have a melting point, the shaped
上記各実施形態においては非接触で積層することから、電子写真方式のSTEP方式などで生じる課題をほとんど解決できる。例えば、溶融樹脂を造形物に接触させて積層する方式では、界面でオフセットや荒れが起きやすく、温度の厳密な制御、時間の増大、溶融粘度などからも材料の制約があり、また、静電気を用いるため導電性樹脂は使用できないという課題があるが、非接触で積層することで、これら課題はなくなる。 In each of the embodiments described above, since the layers are laminated without contact, most of the problems that occur in the STEP method of electrophotography can be solved. For example, in the method of laminating molten resin by bringing it into contact with the modeled object, offset and roughness easily occur at the interface, and there are material limitations such as strict control of temperature, increased time, and melt viscosity. Although there is a problem that conductive resin cannot be used because of the use of conductive resins, these problems can be overcome by laminating them without contact.
次に、本発明の第8実施形態について図17を参照して説明する。図17は同実施形態に係る粒子を飛翔させる装置の説明に供する説明図である。 Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 17. FIG. 17 is an explanatory diagram for explaining the device for flying particles according to the same embodiment.
本実施形態では、粒子を飛翔させる装置を前記第1実施形態に係る立体造形物を造形する装置に適用した例で説明する。 In this embodiment, an example will be described in which a device for making particles fly is applied to the device for modeling a three-dimensional object according to the first embodiment.
図17に示すように担持体111の一面に吸着力Fvで粒子である造形材料201が保持された状態で、担持体111の造形材料201が保持されている面とは反対側の面に対してレーザ光115aを照射する手段としての飛翔用レーザ115を備えている。
As shown in FIG. 17, when the
飛翔用レーザ115は、レーザ光115aを10μs以下のパルス幅を持ったパルス光で照射する。パルス幅は、8μsでもよいし、5μs以下でよいし、2μsでもよい。また、ナノ秒、ピコ秒でも実現可能であることを確認している。10μsより長いパルス幅で照射すると、造形材料内での熱拡散がμm以上となり、材料への力が伝わらないために、好ましくない。
The
ここで、図17において、「Fg」は、造形材料201(粒子)にかかる重力を表す。これは、一般に、物体の体積と密度の積で表される重量に重力加速度を乗じることで算出される。造形材料201として、前述したSiterit社製PA12smooth(体積平均粒径は38μm)にて求めたところ、重力Fgは10-10N程度であった。
Here, in FIG. 17, "Fg" represents the gravity applied to the modeling material 201 (particles). This is generally calculated by multiplying the weight, which is the product of the object's volume and density, by the gravitational acceleration. As the
「Fvdw」は、造形材料201にかかるファンデルワールス力を表す。これは、計算により算出すると、10-7N程度であった。
“Fvdw” represents the van der Waals force applied to the
「Fe」は、静電力による造形材料201の吸着力を表す。これは、同程度のサイズのプリンタにおけるキャリア材料で、10N程度の力のオーダーであることが知られているが、これは造形材料201(粒子、粉体)の帯電量に依存する。
“Fe” represents the adsorption force of the
上記は計算により求めるが、FvdwとFeの和である付着力Fvは、遠心分離機を用いた付着力試験などにより実験的に求められるが、同様にSiterit社製PA12smoothにて付着力試験で求めたところ、Fgは10-8N程度であった。 The above is obtained by calculation, but the adhesion force Fv, which is the sum of Fvdw and Fe, can be obtained experimentally by an adhesion test using a centrifuge, etc., but it can also be obtained by an adhesion test using Siterit's PA12smooth. As a result, Fg was approximately 10 −8 N.
Fvdwを構成する要素としては、他に造形材料201(粒子)と担持体111の間に液体が含まれている場合に生じる液架橋力などが考えられる。
Other factors constituting Fvdw include liquid bridging force that occurs when liquid is contained between the modeling material 201 (particles) and the
「Fr」は、輻射圧により造形材料201にかかる力を表す。Frは計算により算出することができるが、パルス幅10ps、パルスエネルギー1μJで計算すると、瞬間の力は10-4N程度であった。
“Fr” represents the force applied to the
「Fab」は、造形材料201の表面がレーザーアブレーションにより、一部の個体が瞬間的に気体化することで、気体の射出時に圧力が生じることで造形材料201にかかる力を表す。
"Fab" represents the force exerted on the
例えばパルス幅ps程度のレーザを用いると、この気体及び場合によってはプラズマ化する、一般的にアブレーションと呼ばれる現象がある。これらは、数十万度といった高温となることが知られており、その場合、噴射圧はFvdwに比べて非常に大きいと考えることができる。 For example, when a laser with a pulse width of approximately ps is used, a phenomenon generally called ablation occurs in which this gas and, in some cases, turn into plasma. These are known to reach high temperatures of several hundred thousand degrees, and in that case, the injection pressure can be considered to be much larger than Fvdw.
したがって、レーザのエネルギーがアブレーションを誘起するだけのエネルギーを持てば、造形材料201に瞬間にかかる力は付着力を大きく上回る。
Therefore, if the laser energy has enough energy to induce ablation, the force instantaneously applied to the
ここで、レーザが物体に対してアブレーション閾値を超えるか否かはレーザーフルエンスFllが閾値を超えるかどうかで議論されるケースが普通である。このときの閾値を、以後、「フルエンス閾値」と表記する。 Here, whether the laser exceeds the ablation threshold for the object is usually discussed based on whether the laser fluence Fll exceeds the threshold. The threshold at this time will be referred to as a "fluence threshold" hereinafter.
フルエンスFllとは、パルスエネルギーJをレーザの面積で割ることで算出される(単位はJ/cm2が一般的)。粉体材料の場合、そのフルエンス閾値Flthは0.1-1.0J/cm2が一般的である。これは、当該材料のバルク材料にレーザを照射することで算定が可能である。 The fluence Fll is calculated by dividing the pulse energy J by the area of the laser (generally, the unit is J/cm 2 ). In the case of powder materials, the fluence threshold value Flth is generally 0.1-1.0 J/cm 2 . This can be calculated by irradiating the bulk material of the material with a laser.
これは、レーザービームが一般的なガウシアンビームである場合の計算式であり、もちろん、ビームの中心位置と周辺部とで、その値は変わるし、その他の異形ビーム(ドーナツビームやトップハットビーム)ではそれに応じた計算式を用いなければいけない。 This is a calculation formula when the laser beam is a general Gaussian beam, but of course, the value changes depending on the center position and the periphery of the beam, and it also applies to other irregular beams (donut beam, top hat beam) Then, we have to use a calculation formula that corresponds to that.
これらより、吸着力Fvdwはファンデルワールス力、静電力、液架橋力から構成され、粒子(造形材料201)に作用する重力をFgとするとき、Fv>Fg、とすることで、担持体111に造形材料201を担持することができる。
From these, the adsorption force Fvdw is composed of van der Waals force, electrostatic force, and liquid bridging force, and when the gravity acting on the particles (modeling material 201) is Fg, by setting Fv>Fg, the
また、レーザ光の入力条件は、輻射圧により粒子(造形材料201)にかかる力をFrとするとき、吸着面に対する鉛直方向において、Fr>Fv-Fg、とすることで、粒子を飛翔させることができる。 In addition, the input conditions for the laser beam are such that, where Fr is the force applied to the particles (modeling material 201) by the radiation pressure, Fr > Fv - Fg in the vertical direction to the adsorption surface to make the particles fly. Can be done.
ここで、具体的な実施例について表3を参照して説明する。 Here, specific examples will be described with reference to Table 3.
<実施例3-1ないし実施例3-3>
樹脂としてPA12(実施例3-1)、PE(実施例3-2)、PC(実施例3-3)を使用し、Fv>Fgとし、レーザ光の入力条件を、Fr>Fv-Fg、とした。
<Example 3-1 to Example 3-3>
PA12 (Example 3-1), PE (Example 3-2), and PC (Example 3-3) were used as resins, Fv>Fg, and the laser beam input conditions were Fr>Fv-Fg, And so.
これらの実施例3-1ないし実施例3-3について飛翔状態を確認した。結果を表1に示している。 The flight conditions of Examples 3-1 to 3-3 were confirmed. The results are shown in Table 1.
また、レーザ光の入力条件は、粉体のフルエンス閾値をFlth1、担持体のフルエンス閾値をFlth2、フルエンスをFlとするとき、Fl<Flth1、かつ、Fl<Flth2、とすることで、粒子を飛翔させる。 In addition, the laser beam input conditions are as follows: Fl<Flth1 and Fl<Flth2, where Flth1 is the fluence threshold of the powder, Flth2 is the fluence threshold of the carrier, and Fl is the fluence. let
このとき、フルエンス閾値は複数存在することに注意する。図18に示すように、担持体が複数層から構成される場合、例えば、担持体111A→担持体111B→担持体111Aのサンドイッチ構造である場合、一方の担持体111Aの上面は雰囲気環境1、他方の担持体111Aの下面は雰囲気環境2とする。
At this time, it should be noted that there are multiple fluence thresholds. As shown in FIG. 18, when the carrier is composed of multiple layers, for example, when it has a sandwich structure of
この場合、担持体111A及び担持体111Bは、例えば、基材とその表面に付着する薄膜層としてもよいし、複数の基材の張り合わせも考えられる。また、その表面形状が平坦でなく凹凸を持った形状であることも考えられる。雰囲気環境は空気、窒素、アルゴンなどの雰囲気環境と温度、湿度条件などが考えられる。
In this case, the
フルエンス閾値は、その物質の材質と、雰囲気環境で異なることが知られているので、図18の場合、雰囲気環境1で担持体111Aの境界面B1と、担持体111Aと担持体111Bの境界面B2と担持体111Aと雰囲気環境2の境界面B3、ではそれぞれ異なったフルエンス閾値を持つと考えられる。また、レーザービームのスポット径もそれぞれでもちろん異なるし、担持体の境界面でなくその内部でのフルエンス閾値も異なる。
It is known that the fluence threshold value differs depending on the material of the substance and the atmospheric environment, so in the case of FIG. B2, the interface B3 between the
したがって、これらの条件を考慮して、レーザ条件に応じて考えられるすべてのフルエンス閾値でフルエンスの条件が選択されなければならないことに注意する。 Therefore, it is noted that the fluence conditions must be selected with all possible fluence thresholds depending on the laser conditions, taking into account these conditions.
本実施形態に係る粒子を飛翔させる装置を使用することで、飛翔させる粒子(粉体)が限定されてない。つまり、前述したように、例えば、結晶性樹脂、非晶性樹脂、エンプラ、金属材料、セラミックなどの粒子(粉体)を飛翔させることができる。 By using the device for flying particles according to this embodiment, the particles (powder) to be flown are not limited. That is, as described above, particles (powder) of, for example, crystalline resin, amorphous resin, engineering plastic, metal material, ceramic, etc. can be flown.
そして、粒子を担持体に吸着することができれば、立体造形物を造形することができる。 If the particles can be adsorbed onto the carrier, a three-dimensional object can be formed.
ここで、担持体111と、立体造形物が造形されるステージ101とは、対向部位で同じ方向に移動する構成とすることが好ましい。
Here, it is preferable that the
また、担持体の移動速度は、ステージの移動速度よりも速いことが好ましい。通常、担持体111は粉体材料が完全に充填することは難しい。そのため、担持体111は立体造形物101に十分な速度で粉体を供給するためにより速い速度で移動する必要がある。
Further, it is preferable that the moving speed of the carrier is faster than the moving speed of the stage. Normally, it is difficult to completely fill the
次に、本発明の第9実施形態について図19を参照して説明する。図19は同実施形態係る立体造形物を造形する装置の説明図である。 Next, a ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 19. FIG. 19 is an explanatory diagram of an apparatus for modeling a three-dimensional object according to the same embodiment.
本実施形態は、前記第1実施形態における担持体111がフィルムで構成されている。担持体111としてのフィルムは、繰り出しロール111Aから巻取りロール111Bに巻き取りながら使用する。
In this embodiment, the
そして、繰り出しロール111Aから繰り出す担持体111が途切れるときに、補給用の繰り出しロール111Cを使用して、担持体111であるフィルムを接着しつなげる。これにより、短時間で造形を継続できる。
Then, when the
本実施形態では、溶融用のレーザ116のレーザ光116aは、造形材料201の着弾位置から、やや離れているが、入射角15度でエネルギーを付与できる。
In this embodiment, the
入射角が0度に近いほど、複雑な形状を造形するとき、異物や溶融不足の部分が高くなるなどの際の影になるなどの不具合が発生しにくくなる。 The closer the incident angle is to 0 degrees, the less problems such as shadows caused by foreign objects or insufficiently melted parts will occur when molding a complex shape.
ステージ101がY1方向に移動するときは、造形物200の表面を溶融し、材料を着弾させる。また、ステージ101がY2方向に移動するときは、Tg以上で軟化した表面に着弾した粉(造形材料201)を加熱溶融させる。
When the
100 立体造形物を造形する装置
101 ステージ(支持部材)
111 担持体
112 供給手段
115 飛翔用レーザ(飛翔させる手段)
116 溶融用レーザ(エネルギーを付与する手段)
200 造形物
201 粉体
201 造形材料(粒子)
301 断熱板
302 造形物加熱ヒータ(補助的にエネルギーを付与する手段)
100 Device for modeling three-
116 Melting laser (means for applying energy)
200 Modeled
301
Claims (17)
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記造形物の表面の温度は、前記造形材料が到達するときにガラス転移温度以上である
ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。 a carrier that carries a modeling material;
a means for imparting energy to the surface of the object;
means for causing the modeling material carried by the carrier to fly toward the surface of the shaped object to which the energy has been applied,
An apparatus for modeling a three-dimensional object, characterized in that the temperature of the surface of the object is equal to or higher than the glass transition temperature when the object reaches the temperature of the object.
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記エネルギーを付与する手段は、前記造形物の表面に前記造形材料が到達するときに前記造形物の表面の温度がガラス転移温度以上になるように加熱するとともに、前記造形物の表面に対して飛翔する前記造形材料が前記造形物の表面に到達するまでの間に、前記造形材料も加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。 a carrier that carries a modeling material;
a means for imparting energy to the surface of the object;
means for causing the modeling material carried by the carrier to fly toward the surface of the shaped object to which the energy has been applied,
The means for applying energy heats the surface of the model so that the temperature of the surface of the model becomes equal to or higher than the glass transition temperature when the model material reaches the surface of the model, and also applies heat to the surface of the model. An apparatus for modeling a three-dimensional object, characterized in that the flying modeling material is also heated before it reaches the surface of the object.
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記エネルギーを付与する手段は、前記造形物の周囲の雰囲気温度を、前記造形物の表面がガラス転移温度以上になるまで加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。 a carrier that carries a modeling material;
a means for imparting energy to the surface of the object;
means for causing the modeling material carried by the carrier to fly toward the surface of the shaped object to which the energy has been applied,
An apparatus for forming a three-dimensional object, wherein the means for applying energy heats the ambient temperature around the object until the surface of the object reaches a glass transition temperature or higher.
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 The device for modeling a three-dimensional object according to any one of claims 1 to 3, wherein the carrier is a rotating member.
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 5. The device for modeling a three-dimensional object according to claim 1, wherein the flying means is means for irradiating a pulsed laser.
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 The three-dimensional modeling according to any one of claims 1 to 4, wherein the flying means includes a heating means for heating the circularly moving carrier and the modeling material supported on the carrier. A device that shapes things.
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 5. The apparatus for modeling a three-dimensional object according to claim 1, wherein the flying means is means for blowing air onto the modeling material supported on the carrier.
ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 8. The apparatus for modeling a three-dimensional object according to claim 1, further comprising means for applying a liquid to the modeling material supported on the carrier.
ことを特徴とする請求項8に記載の立体造形物を造形する装置。 9. The apparatus for modeling a three-dimensional object according to claim 8, further comprising means for removing the modeling material to which the liquid has not been applied from the carrier.
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 Claim 1, wherein when the average particle size of the modeling material is L [μm], the time interval at which the modeling material reaches the surface of the modeling object is L×L/200 [ms] or more. 10. A device for modeling a three-dimensional object according to any one of items 1 to 9.
前記造形物の表面の温度は、前記エネルギーを付与する手段によって加熱された後に前記造形材料の融点以上になる
ことを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 The modeling material is a crystalline resin,
Modeling a three-dimensional model according to any one of claims 1 to 10, wherein the temperature of the surface of the model becomes equal to or higher than the melting point of the model material after being heated by the means for applying energy. Device.
ことを特徴とする請求項11に記載の立体造形物を造形する装置。 12. The apparatus for modeling a three-dimensional object according to claim 11, wherein the temperature of the surface of the object is lower than the melting point of the modeling material before being heated by the means for applying energy .
前記造形物の表面は、前記エネルギーを付与する手段によって加熱された後に粘度が1.0×103Pa・s未満になる
ことを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。 The modeling material is an amorphous resin,
The three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 10, wherein the surface of the three-dimensional structure has a viscosity of less than 1.0×10 Pa·s after being heated by the means for applying energy. A device for modeling.
ことを特徴とする請求項13に記載の立体造形物を造形する装置。 14. The device for modeling a three-dimensional object according to claim 13, wherein the surface of the object has a viscosity of 1.0 x 10<3> Pa·s or more before being heated by the means for applying energy.
造形物の表面にエネルギーを付与する工程と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に対し、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる工程と、を行い、
前記造形物の表面の温度を、前記造形材料が到達するときにガラス転移温度以上にする
ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。 a step of supporting a modeling material on the surface of a carrier;
A process of applying energy to the surface of the modeled object,
a step of causing the modeling material carried by the carrier to fly onto the surface of the shaped object to which the energy has been applied;
A method for modeling a three-dimensional object, characterized in that the temperature of the surface of the object is made equal to or higher than the glass transition temperature when the building material reaches it.
造形物の表面にエネルギーを付与する工程と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に対し、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる工程と、を行い、
前記造形物の表面に前記造形材料が到達するときに前記造形物の表面の温度がガラス転移温度以上になるように加熱するとともに、前記造形物の表面に対して飛翔する前記造形材料が前記造形物の表面に到達するまでの間に、前記造形材料も加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。 a step of supporting a modeling material on the surface of a carrier;
A process of applying energy to the surface of the modeled object,
a step of causing the modeling material carried by the carrier to fly onto the surface of the shaped object to which the energy has been applied;
When the modeling material reaches the surface of the modeling object, the temperature of the surface of the modeling object is heated to be equal to or higher than the glass transition temperature, and the modeling material flying toward the surface of the modeling object is A method for modeling a three-dimensional object, characterized in that the modeling material is also heated before reaching the surface of the object.
造形物の表面にエネルギーを付与する工程と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に対し、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる工程と、を行い、
前記造形物の周囲の雰囲気温度を、前記造形物の表面がガラス転移温度以上になるまで加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。 a step of supporting a modeling material on the surface of a carrier;
A process of applying energy to the surface of the modeled object,
a step of causing the modeling material carried by the carrier to fly onto the surface of the shaped object to which the energy has been applied;
A method for forming a three-dimensional object, characterized in that the ambient temperature around the object is heated until the surface of the object reaches a glass transition temperature or higher.
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